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永磁双稳态电磁离合器磁场分析及优化设计

为减少电机和轮毂刚性连接引起的电磁冲击和机械冲击,提出一种可柔性连接电机和轮毂的永磁双稳态电磁离合器,其结构高度紧凑,外形小巧,可以匹配轮毂内狭小的可用空间。分别利用有限元法和磁路解析法对该离合器进行磁场分析,并以漏磁系数为目标函数确定离合器的最佳结构尺寸。在此基础上,制作单元样机并开展相关实验,实验结果证明了仿真分析和优化设计的合理性。


近年来,环境和能源问题日益凸显,电动汽车已成为各国优先发展的交通工具[1-4]。轮毂电机因结构简单、控制灵活等优点,成为电动汽车的优选驱动方式[5-8]。然而,目前驱动系统中轮毂电机和轮毂之间多采用刚性连接[9,10],造成在汽车起动和制动时会产生很大的电磁冲击和机械冲击,影响电动汽车的舒适感和可靠性。


普通汽车通过离合起步的方法来缓解动力冲击[11-13],提高舒适感,为此,本文提出在电机和轮毂之间加设离合器,将刚性连接转换为可控柔性连接,构成“电机空载起动+最优怠速切换+机电分离制动”驱动模式。实验研究表明,与直接起步(刚性连接)相比,离合起步(柔性连接)可显著缓释电磁冲击和机械冲击,提升了汽车的起动性能和舒适感[14,15]。


对于轮毂驱动系统这一特殊应用场合,离合器应具有以下特点:首先,离合器一定是电磁式的,以保证各动力轮的结构独立性和控制灵活性;其次,离合器应具有稳态“自持”特征(常开,不耗能),以契合电动汽车高效节能理念;最后,离合器应结构紧凑、外形小巧,以匹配轮毂内狭小的可用空间。现有的电磁作动装置,或需要线圈常时通电来维持吸合状态[16,17],持续消耗电能;或结构尺寸较大,外形不满足要求[18]。


为此,本文提出一种永磁双稳态电磁离合器,其主要部件兼具电、磁、力及运动、控制、传感等复合功能于一身,结构高度紧凑,外形扁平小巧,可与电机和轮毂融为一体,且稳态不耗能,控制灵活,能实现电机转子与轮毂间的可控柔性连接[19]。


分别利用有限元法和磁路解析法对所提出的永磁双稳态电磁离合器进行磁场分析,并对衔铁进行受力分析,然后以漏磁系数为目标函数确定离合器最佳结构尺寸设计的若干准则,实验结果证明了仿真分析和优化设计的合理性。


图1  电磁离合器的结构

永磁双稳态电磁离合器磁场分析及优化设计


图12  实验平台

永磁双稳态电磁离合器磁场分析及优化设计



结论

本文提出了一种永磁双稳态电磁离合器,其结构紧凑,外形小巧,能够与电机转子和轮毂融为一体,将电机和轮毂之间的机械刚性连接转变为电控柔性连接,以降低电动汽车起动和制动时的电磁冲击和机械冲击。

本文首先利用有限元法对离合器进行了磁场分析,针对二维模型精度不高的问题进行了合理的设想,得到了一种简化二维模型,提高了模型精度,并简化了漏磁区域;然后结合简化二维模型,通过磁路法求得了漏磁系数的简易解析解,更直观地反映了漏磁系数与各主要结构尺寸的关系;最后使用虚位移法对衔铁进行受力分析,并结合正交设计法对离合器主要结构尺寸进行了优化设计。

实验结果表明,对离合器漏磁和衔铁受力的分析是准确的,优化设计的结果是合理的,为进一步探讨离合器的动力学特性提供了有力的理论和数据支持。

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